水稻作为我国主要的粮食作物之一，其安全生产对保障我国粮食安全极为重要，但当前稻米镉(Cd) 等重金属超标问题不容忽视，已经严重影响到我国粮食安全甚至人类社会的可持续发展^[1-3]。因此，减少Cd在稻米中的积累与富集，降低我国人群的Cd暴露风险已刻不容缓。

在所有Cd污染土壤修复技术中，叶面阻控技术是近年来兴起的降低水稻Cd积累的重要农艺调控措施之一^[4]。科学选择、合理喷施叶面阻控剂，通过调控水稻对重金属Cd的吸收、转运和代谢，或调节Cd在植株体内的积累，从而降低稻米Cd含量，是一种低成本、易操作的污染耕地安全利用技术^[5-7]。以往喷施叶面阻控剂一般以人工喷施为主要手段，而由前人对人工喷施农药和利用植保无人机喷施农药的对比研究可知，相较于无人机喷施，人工喷施农药不仅劳动强度较大，劳动力成本较高，而且容易漏喷，农药水雾难以到达水稻中下部叶片，从而导致农药的有效利用率较低，而利用植保无人机喷施农药则更有利于提高喷施均匀度，在提高其作业效率的同时还可减少劳动力成本^[8-9]，由此可预测，利用植保无人机喷施叶面阻控剂同样可提高其经济效益与环境效益。另外，若叶面阻控剂选择不当也会导致技术效果不佳，达不到理想的稻米降镉效果^[10-11]。目前叶面阻控剂主要包括3类：非金属元素型叶面阻控剂[硅(Si)、磷(P)和硒(Se)等]、金属型元素叶面阻控剂[锌(Zn)、锰(Mn)和铁(Fe)等]以及有机型叶面阻控剂(谷氨酸以及水杨酸等)^[12-13]。其中，Zn和Mn都是植物生长所必需的微量元素，且由于植物吸收转运Cd²⁺所用的转运蛋白(如IRT、NRAMP与ZIP等)与Zn²⁺和Mn²⁺相同，因此Zn²⁺、Mn²⁺和Cd²⁺在植物体内主要表现为拮抗竞争作用，可以通过增加植物对Zn²⁺和Mn²⁺的吸收来减少Cd²⁺在植物体内的富集^[14-16]。有研究结果表明，Zn和Mn不仅能够有效缓解Cd对水稻幼苗的生物毒害作用，还可维持细胞内的代谢平衡^[17]；在大田试验中，叶面喷施锌锰肥对不同小麦品种籽粒中的Cd含量都有显著的降低作用，同时还能增加小麦产量^[18]。植保无人机技术由于其作业效率高、喷施精准、人工成本低且操作简便的优势，近年来成为农业“新宠”^[19]。但目前学术界研究较多的主要是将植保无人机技术应用于农药喷洒以及病虫害防治上，鲜少报道将植保无人机应用于喷施叶面阻控剂以减轻植物受土壤重金属污染胁迫的研究。将降镉效果显著的锌锰型叶面阻控剂与植保无人机喷施技术相结合，是一种操作方便、成本低廉、喷施时间自由的污染控制新技术，可大规模推广应用。

植保无人机作业效果受多种飞行参数的影响，如喷嘴的排列间距及类型、飞行的速度及高度、风速及温度等，这些参数将通过影响雾滴在田间叶片上的穿透率、沉积量和均匀度，从而影响其作业效果^[20]。相关田间试验结果表明，植保无人机作业效果受各飞行参数影响次序为：速度(风速)>高度>雾滴粒径>旋翼风>喷施角度^[21-24]。在所有影响植保无人机作业效率的飞行参数中，飞行速度与高度最为关键。潘波等^[25] 发现，飞行高度和速度的变化对雾滴的穿透性及沉积分布影响显著，飞行高度为6 m、速度为2.8 m·s^-1为最佳施药参数。同时，叶面阻控剂喷施浓度及相对应的喷雾量也会影响作业效果，如果植保无人机喷雾量低，会直接降低农药对稻飞虱的防治效果^[26]。随着喷雾量的增加，喷施雾滴沉积量、穿透性和均匀度均随之增加，继而影响作业效率^[27]。

本文对植保无人机的飞行速度、飞行高度、喷施浓度及喷雾量与锌锰型叶面阻控剂稻米降Cd效果之间的关系进行了研究，以期得到喷施叶面阻控剂最佳飞行参数，为植保无人机技术与锌锰型叶面阻控剂配合使用提供参考依据。

1 材料和方法 1.1 试验地点与材料

试验地点位于益阳市赫山区笔架山乡合胜水稻种植产业合作社优质稻标准化生产基地，土壤类型为水稻土，土壤基本理化性质见表 1。

试验植保无人机：大疆T16植保无人机，深圳市大疆创新科技有限公司生产。

供试水稻：试验1、试验2均为黄华占；试验3为黄华占与湘晚籼13号。

供试叶面阻控剂：锌锰型叶面阻控剂，主要成分为Mn+Zn(≥10.0%)，湖南美鑫隆生态环保科技有限公司生产。

1.2 试验设计

试验1为验证植保无人机不同飞行高度的喷洒效果。

试验时间：2018年6月20日，试验时天气多云、无风，温度为30 ℃，相对湿度45%。

设置3个飞行高度处理，分别为2、3、4 m，并重复3次。观察记录无人机喷雾在地面的雾散情况，对主要集中范围进行测量比较，以此确定T16植保无人机的最佳飞行高度。

具体操作：将T16植保无人机置于试验区域，首先启动无人机，待分别达到高度设定值2、3、4 m时，打开喷雾系统，持续喷雾20 s，喷嘴数量为8个，单喷头流量为0.45 L·min^-1，出水量为1.2 L。然后关闭喷洒系统，停止旋翼的转动并将无人机移走，记录喷洒后地面雾散形状、喷幅距离、漏喷点位等指标。以此测试并记录2、3、4 m飞行高度时的地面雾散情况。

试验2为验证飞行速度、喷施浓度及喷雾量对水稻喷洒叶面阻控剂的降Cd效果。

试验时间：2018年8月2日和2018年8月6日喷施两次。

采用试验1确定的最佳飞行高度，并使用定高模块使其保持该高度。飞行速度设置3个处理，分别为5、6、7 m·s^-1，并标记为J1、J2、J3；喷雾量设置3个处理，分别为1.2、2.4、3.6 L·min^-1，分别标记为R1、R2、R3；喷施浓度设置3个处理，即叶面阻控剂质量分数分别为24%、12%、8%，并分别标记为I1、I2、I3。对以上设置的参数进行排列组合，田间分布图见图 1，包括对照组(CK)在内每个处理均重复3次，试验区总面积为3×10⁴ m²。

试验选取作物密度、作物生长条件、土壤条件等相对一致的矩形田块进行作业，以此减少其他因素对试验结果的影响。采用植保无人机的智能作业模式按矩形进行作业，喷幅为5 m，每个处理区域作业时间为12 s，每个处理留5 m以上作业间隔，并在每个处理的喷施区域边界做好标记。

试验3为验证植保无人机最佳作业条件下喷施锌锰型叶面阻控剂水稻降Cd的效果。

在本试验中，为验证2018年确定的植保无人机喷施叶面阻控剂的最佳作业条件下对不同品种水稻降Cd效果，于2019年在试验区内种植我国南方区域大规模种植水稻品种黄华占与湘晚籼13号，并设计4个处理，分别为：黄华占喷施叶面阻控剂(H_Zn-Mn)、黄华占不喷施叶面阻控剂(H_CK)、湘晚籼13号喷施叶面阻控剂(X_Zn-Mn)、湘晚籼13号不喷施叶面阻控剂(X_CK)，每个处理设置3个平行，共12个试验小区，每个试验小区面积为5 556 m²。

具体操作：采用试验1与试验2确定的无人机最佳作业条件，即飞行高度3 m，飞行速度5 m·s^-1，喷施叶面阻控剂质量分数为12%，喷雾量为3.6 L·min^-1，分别于黄华占与湘晚籼13号始穗期与齐穗期于处理H_Zn-Mn和X_Zn-Mn的各试验小区喷施两次锌锰型叶面阻控剂。水稻其他水肥管理措施各处理均与当地农业生产保持一致。

1.3 样品采集与分析

水稻种植前分别于各试验小区均匀采取耕层(0~20 cm)土壤混合，并在室内风干后研磨，根据所测指标要求过筛。于水稻成熟期均匀采取各处理小区水稻样品，植株样品带回实验室后分离出籽粒，并用超纯水洗净后装入信封袋中，于烘箱中105 ℃下杀青30 min，之后80 ℃条件下烘干备用。

土壤pH采用pH计(S220，Mettler Toledo，上海) 在土水比为1∶2.5时进行测定。

土壤全Cd利用《土壤和沉积物12种金属元素的测定王水提取-电感耦合等离子体质谱法》(HJ 803—2016)方法测定，消解后过滤定容，之后利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Thermo Fisher，美国)测定消解液中Cd浓度。

土壤养分参考《土壤农业化学分析方法》进行测定。

水稻糙米研磨过筛后利用HNO₃-H₂O₂微波消解法消解(MARS 6MS5181，培安，美国)，消解液过滤定容后利用ICP-MS测定其中总Cd浓度(GB 5009.268—2016)。

为保证数据可靠性，所有数据测定过程中均加入标准参比物质及空白样进行质量控制，土壤标准物质为GBW07386(GSS-30)，植株标准物质为GBW10049 (GSB-27)。

1.4 数据分析

所有数据均测定至少3个平行样，用Excel处理试验数据，用Origin 2021进行绘图，并利用单因素方差分析(ANOVA)对数据进行差异显著性分析(SPSS 22.0)。

2 结果与分析 2.1 不同飞行高度对植保无人机喷施效果的影响

由表 2及图 2可知，植保无人机T16的飞行高度对喷施效果有很大影响，当飞行高度为2 m的时候，通过地面雾散情况可知存在少许漏喷，喷幅为4.0 m，集中喷洒的范围为1.9 m；当飞行高度为3 m的时候，喷幅为5.0 m，集中喷洒的范围为2.4 m；当飞行高度为4 m的时候，喷幅为5.9 m，集中喷洒的范围为1.7 m。地面喷洒情况如图 2所示，可以看出随着T16植保无人机飞行高度的升高，其集中喷洒范围首先是有一定的提高，到3 m时达到最大值，而其最大有效面积随着无人机飞行高度的升高而增大，但飞行高度达到3 m时其增长速度开始下降。

叶面阻控剂主要作用于植物叶片表面，一般认为其作用于叶片上部分与下部分效果相同。由此分析得出，T16在飞行高度为3 m、作业间距为5 m的时候不会漏喷，在飞行高度为2 m时喷洒范围更小，喷洒均匀性更差，而飞行高度到4 m的时候，喷洒范围更大，均匀性好，但是同时药液飘散多。所以，在其他作业条件相同时，3 m为T16植保无人机作业的最佳飞行高度。

2.2 不同飞行速度、喷施浓度及喷雾量对植保无人机喷施效果的影响

如表 3所示，CK处理的稻米Cd含量为0.32 mg· kg^-1，在相同飞行速度及喷施浓度下，水稻糙米降Cd效果随着喷雾量增加而提升；而在相同喷施浓度及喷雾量下，降Cd效果随飞行速度增加而下降，在相同飞行速度与喷雾量下，降Cd效果在喷施锌锰叶面阻控剂浓度为12%时达到最高。当飞行速度由5 m·s^-1升至7 m·s^-1时，不同喷施组合锌锰型叶面阻控剂的降Cd效果逐渐降低。综合分析认为，植保无人机对水稻喷施锌锰型叶面阻控剂的最佳作业条件是飞行高度3 m，飞行速度5 m·s^-1，喷施叶面阻控剂浓度为12%，喷雾量为3.6 L·min^-1，此条件下水稻降Cd率最高，糙米Cd含量降低了0.14 mg·kg^-1，降镉率达到43.5%，达到了谷类作物可食用标准限值(Cd≤0.2 mg· kg^-1)，经济与环境效益均达到最大值。

2.3 植保无人机最佳作业条件下锌锰叶面钝化剂水稻降Cd效果验证

对试验1、2中确定的植保无人机在最佳作业条件下喷施叶面阻控剂对降低不同品种水稻糙米Cd含量的效果进行检验，结果如图 3所示，相较于对照(H_CK和X_CK)，经无人机喷施锌锰型叶面阻控剂后，H_Zn-Mn和X_Zn-Mn水稻糙米Cd含量均显著下降，分别下降了0.24 mg·kg^-1和0.12 mg·kg^-1，糙米降Cd率分别达到52.7%和62.1%。其中喷施叶面阻控剂后黄华占水稻糙米Cd含量仅比我国《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中规定的0.2 mg·kg^-1高0.02 mg·kg^-1，而经处理后湘晚籼水稻糙米Cd含量则降至0.08 mg·kg^-1，达到国家规定谷类可食用标准。利用植保无人机在作业条件分别为飞行高度3 m、飞行速度5 m·s^-1、喷施叶面阻控剂质量分数为12%、喷雾量为3.6 L·min^-1条件下喷施锌锰型叶面阻控剂大幅度降低了不同品种水稻糙米Cd积累风险，对降低我国居民食品Cd暴露风险意义重大。

3 讨论

近年来，植保无人机由于兼顾经济效益与环境效益而被广泛应用于农业生产中，但目前主要是用于喷施农药以防治水稻病虫害^[11]，而将植保无人机应用于喷施重金属叶面阻控剂以阻控重金属在农产品中的积累方面还鲜少报道。因此，探索植保无人机在重金属污染耕地安全利用技术中的应用效果，并确定其最佳工作条件对保障我国粮食安全意义重大。对锌锰型叶面阻控剂的最佳喷施浓度与用量进行探索还可在促使水稻籽粒降Cd效率达到最大化的同时避免浪费，提高经济效益。

植保无人机的工作效率受到多种因素的影响，如植保无人机的作业高度、飞行速度及喷施浓度与用量等^[10]。作业高度太低时，无人机的强风场会导致水稻冠层向四周倒伏，从而影响雾滴穿透与附着；若飞行高度太高，同样会使药液在水稻上的雾滴明显减少，影响作业效率^[25]。邱白晶等^[28]的研究结果显示，植保无人机的飞行高度与飞行速度及其交互作用均对喷施农药的沉积浓度与沉积均匀度有极显著的影响(P < 0.01)，进而对工作效率产生影响。因此，为确保锌锰型叶面阻控剂的降Cd效果最大化，本研究通过比较植保无人机不同飞行高度、飞行速度、喷施浓度及喷雾量的作业效果，确定了田间最佳工作参数：飞行高度3 m，飞行速度5 m·s^-1，喷施叶面阻控剂兑水质量分数为12%，喷雾量为3.6 L·min^-1。第二年验证试验结果表明，在最佳工作参数下喷施锌锰型叶面阻控剂，不同常规水稻品种糙米Cd含量均显著降低(P < 0.01)，黄华占与湘晚籼13号糙米降Cd率分别达到52.7% 与62.1%。相较于人工喷施叶面阻控剂，本试验中利用植保无人机喷施锌锰型叶面阻控剂降低水稻籽粒Cd积累效果更为显著，韩潇潇等^[29]、张烁等^[30] 分别利用10 mmol·L^-1的ZnSO₄与MnCl₂溶液在水稻开花期将其人工喷施于水稻叶面后，水稻籽粒Cd浓度相比对照仅降低28.5% 与23.8%。本研究中，利用植保无人机喷施叶面阻控剂的水稻糙米降Cd效率远高于上述研究中人工喷施的效率。这一方面可能是由于相较于人工喷施，利用植保无人机在最佳作业参数下喷施叶面阻控剂雾滴穿透性更高且更均匀^{[11, 31-33]}，更有利于叶面阻控剂防控水稻糙米Cd积累。如李艳大等^[27]的研究结果表明人工喷施农药的药液雾滴仅有7.57%到达水稻冠层下部，而利用植保无人机喷施则有约19.92% 的药液雾滴到达冠层下部，可以大幅度提高农药防控水稻病虫害的效率。另一方面，本试验中所用的锌锰型叶面阻控剂经过多年的田间验证，具有高效稳定的阻控Cd从水稻营养器官向稻米转运的能力。这主要是由于Zn²⁺与Mn²⁺与Cd²⁺具有相似的化学特性，水稻叶面喷施Zn²⁺与Mn²⁺后可与Cd²⁺产生拮抗竞争作用，由于目前仍未在水稻中发现Cd的专属转运通道，Cd一般通过Ca、Fe、Mn与Zn等水稻生长必需阳离子的转运通道进行转运，因而喷施锌锰型叶面阻控剂增加叶片中Zn与Mn的含量，使其与Cd大量竞争转运体中的金属位结合点，显著抑制Cd²⁺从水稻根部向叶与籽粒中的转移，从而直接影响水稻地上部Cd²⁺的转运，极大减少Cd向水稻籽粒运输^{[30, 34]}。

本研究在一定程度上证明了利用植保无人机喷施叶面阻控剂在防控农作物重金属积累方面应用前景巨大。但由于植保无人机作业时相关影响因素较多，因此本研究结论是否可适用于其他条件、其他型号的无人机还有待继续研究。当飞行速度继续降低时是否效果会更好也有待研究。

4 结论

(1) 植保无人机对水稻喷施锌锰型叶面阻控剂的最佳作业工作参数是飞行高度3 m，飞行速度5 m· s^-1，喷施阻控剂质量分数12%，喷雾量3.6 L·min^-1。

(2) 植保无人机在最佳工作参数下喷施叶面阻控剂，能显著降低不同水稻品种的稻米Cd含量，和对照相比，黄华占和湘晚籼13号的糙米Cd含量分别下降了0.24 mg · kg^-1与0.12 mg · kg^-1，降Cd率分别达到52.7%与62.1%。

(3) 利用植保无人机喷施“美鑫隆”锌锰型叶面阻控剂不仅能有效管控稻米Cd超标风险，而且作业效率高、喷施精准、经济效益高，适合Cd污染农田区域大面积推广与应用。